青藏高原及周緣深部結(jié)構(gòu)的重力異常解釋與尼泊爾Ms8.1地震

玄松柏 申文斌 申重陽 談洪波 馮建林

1 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，武漢市珞瑜路129號，430079

2 中國地震局地震研究所（地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），武漢市洪山側(cè)路40號，430071

3 中國地震局地球物理勘探中心，鄭州市文化路75號，450002

青藏高原及其周緣歷史上曾發(fā)生多次8級以上地震［1－3］。2015－04－25尼泊爾Ms8.1地震發(fā)生在青藏高原南緣，屬于典型的俯沖型地震。關(guān)于此次地震的孕震背景和過程［4－5］、同震效應(yīng)［6］及其對中國大陸的影響［7］等研究，已取得了一些有意義的成果。

布格重力異常反映的是殼幔密度結(jié)構(gòu)與正常地殼密度之間的差異性分布，與地震孕育具有緊密聯(lián)系。布格重力異常小波多尺度分解的總水平梯度（HGM）［8］和各方向分量平方和的平方根（HVDM）［9］揭示不同深度構(gòu)造體特征的方式雖有所不同，但在探測構(gòu)造體形態(tài)方面均具有較好的效果。

本文利用離散小波變換對全球重力場模型EGM2008［10］獲得的布格重力異常進(jìn)行多尺度分解，計算獲得HGM 和HVDM圖像。通過分析青藏高原及周緣HGM 和HVDM 分布特征，討論青藏高原周緣殼幔結(jié)構(gòu)的深淺層差異及其與強(qiáng)震之間的關(guān)系。

1 構(gòu)造背景

始于45 Ma前的印度板塊與歐亞板塊的陸陸碰撞，使得流變學(xué)強(qiáng)度較小的亞洲大陸擠壓縮短［11－13］。在印度板塊持續(xù)推擠的作用下，青藏高原不斷隆升，且表現(xiàn)為向北、東北、東和東南擴(kuò)展。印支塊體的擠出形成喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)（EHS），使其周緣和內(nèi)部逐漸形成了一系列的大型沖斷層（如喜馬拉雅主沖帶）、大型走滑斷層（如昆侖斷裂帶、鮮水河斷裂帶、阿爾金斷裂帶）和逆沖斷層（如龍門山?jīng)_斷帶）。這些斷層歷史上均發(fā)生過強(qiáng)烈地震（圖1），如北緣阿爾金斷裂2014年于田Ms7.3地震，東北緣1920年海原Ms8.5地震，東緣2008年汶川Ms8.0地震，東構(gòu)造結(jié)（EHS）附近1950年察隅Ms8.6地震，南緣喜馬拉雅構(gòu)造帶中段的尼泊爾喜馬拉雅亦曾發(fā)生過1934年加德滿都 以 東Mw8.2地震［2－3］。2015－04－25 尼 泊 爾Ms8.1地震震中所處的喜馬拉雅構(gòu)造帶位于青藏高原南緣，其發(fā)震構(gòu)造主要由藏南拆離系、主中沖斷層（MCT）、主邊沖斷層（MBT）和主前鋒沖斷層（MFT）組 成［14－15］（圖1），該地區(qū)歷史地震主要是因印度板塊低角度下擠入青藏高原［15－16］，北東向約55 mm／a的 匯聚被喜馬拉雅吸收了18～20 mm／a［17］，剩余能量則以大地震的形式釋放所致。

圖1 青藏高原及周緣地形、主要構(gòu)造和強(qiáng)震Fig.1 Topography，major tectonic and great earthquakes in the Tibetan plateau

2 地殼結(jié)構(gòu)的重力異常多尺度分析

2.1 布格重力異常

本研究所應(yīng)用的布格重力異常數(shù)據(jù)從BGI（bureau gravimétrique international）網(wǎng) 頁下載。BGI提供的布格重力異常首先通過全球重力場模型EGM2008［10］的球諧系數(shù)計算自由空氣異常，然后利用1′×1′數(shù)字地球模型ETOPO1進(jìn)行最大半徑為167km 的地形校正和正常場校正而獲得。經(jīng)過2.5′×2.5′格網(wǎng)的研究區(qū)域布格重力異常如圖2所示，異常值在－570～0mGal之間，其主要特征是青藏高原呈現(xiàn)高負(fù)異常，南側(cè)的印度板塊、北側(cè)的塔里木盆地及東側(cè)的四川盆地異常較低，喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)（EHS）和華南塊體之間的川滇地區(qū)負(fù)重力異常較高（－300～－200 mGal），總體上形成了環(huán)青藏高原重力異常變化過渡的梯度帶。

圖2 布格重力異常Fig.2 Bouguer gravity anomalies

2.2 不同尺度HGM 和HVDM 特征

根據(jù)小波分解的低階細(xì)節(jié)不變性［18］，將布格重力異常進(jìn)行5階分解，獲得相應(yīng)的細(xì)節(jié)成分和逼近成分（1階細(xì)節(jié)受地形的影響具有高頻特征，本文不予考慮）。依據(jù)楊文采等［19］的研究成果和對多種細(xì)節(jié)組合試驗(yàn)，將2、3階細(xì)節(jié)之和作為地殼淺層結(jié)構(gòu)變化反映的重力異常，4、5 階細(xì)節(jié)之和作為地殼深部結(jié)構(gòu)變化反映的重力異常，5 階逼近作為Moho起伏及上地幔頂部結(jié)構(gòu)變化反映的重力異常。利用李進(jìn)［20］給出的計算水平梯度方法獲得青藏高原及周緣不同尺度的布格重力異常水平梯度的東向和北向分量，進(jìn)而獲得HGM圖像（圖3）。HVDM 的計算則根據(jù)Oru?［9］提供的方法，獲得的HVDM圖像如圖4所示。HGM和HVDM 均對青藏高原及周緣構(gòu)造與結(jié)構(gòu)差異性變化具有較好的探測能力，HGM 為布格重力異常的總水平梯度，HVDM 則是重力異常水平、垂直和對角3個方向分量的綜合體現(xiàn)。

2.2.1 HGM 特征

2、3階小波細(xì)節(jié)之和的HGM圖像（圖3（a））反映的是地殼淺層結(jié)構(gòu)差異變化。在尼泊爾喜馬拉雅（主要為尼泊爾西部）、喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)（EHS）和塔里木盆地南緣HGM 約0.5 mGal／km，說明這些地區(qū)構(gòu)造帶與周邊地殼淺層結(jié)構(gòu)存在較大差異。

圖3（b）為4、5階小波細(xì)節(jié)之和的HGM圖像，反映的是地殼深層結(jié)構(gòu)差異變化，其分布和量值與圖3（a）具有明顯差異。變化較為顯著的地區(qū)不但分布在青藏高原周緣的喜馬拉雅地區(qū)、阿爾金斷裂帶、東構(gòu)造結(jié)（EHS）和龍門山斷裂帶，亦分布在高原內(nèi)部的昆侖斷裂帶和雅魯藏布江縫合帶。值得關(guān)注的是，在尼泊爾喜馬拉雅地區(qū)的主中沖斷層（MCT）附近的高－低－高分布和喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)（EHS）地區(qū)的東向弧形分布。青藏高原南緣的喜馬拉雅造山帶地區(qū)HGM 分布較為復(fù)雜，以尼泊爾喜馬拉雅最為顯著。尼泊爾西部的主邊沖斷層（MBT）和雅魯藏布江縫合帶之間HGM 值較大，1916年印度尼泊爾邊界Mw7.0地震發(fā)生則在高值區(qū)西側(cè)。東部HGM 呈現(xiàn)高－低－高分布，即主邊沖斷層（MBT）和主前鋒沖斷層（MFT）之間，以及主中沖斷層（MCT）和雅魯藏布江縫合帶之間呈現(xiàn)高HGM，沿主邊沖斷層（MBT）則呈現(xiàn)低HGM，體現(xiàn)了南北向印度板塊－次喜馬拉雅（SHM）－低喜馬拉雅（LHM）－高喜馬拉雅（GHM）－青藏高原地殼結(jié)構(gòu)變化的基本特征［16］。尼泊 爾2015－04－25 Ms8.1地震 和05－21 Ms7.3 地震震中均分布于夾在兩條高HGM 帶之間的低值帶上，震源深度約15km，大致位于主喜馬拉雅沖斷帶（MHT）脆性和韌性轉(zhuǎn)換帶上［3］；青藏高原北緣的阿爾金斷裂帶附近較高的HGM總體呈現(xiàn)北東東向，與阿爾金斷裂的走向基本一致，其南側(cè)分布有近乎平行于阿爾金斷裂帶的HGM 較高的條帶，2008和2014年于田發(fā)生的兩次Ms7.3地震震中就分布在這兩個較高的HGM條帶之間，體現(xiàn)了作為青藏高原和塔里木盆地過渡帶的左旋走滑的阿爾金斷裂帶；青藏高原東緣的龍門山斷裂帶北西側(cè)附近亦存在較高的HGM帶，與走滑的阿爾金斷裂帶不同的是其優(yōu)勢走向與龍門山斷裂帶形成一定夾角，體現(xiàn)了東向運(yùn)移的物質(zhì)在龍門山地區(qū)的上覆特征［13］，2008年汶川Ms8.0地震和2013年蘆山Ms7.0地震就發(fā)生在HGM 較高值帶的東側(cè)；喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)（EHS）附近地區(qū)存在由西（約95°E）向東（約101°E）4條顯著的HGM 較高弧形帶，體現(xiàn)了青藏高原東南緣繞EHS順時針旋轉(zhuǎn)擠出的特征［13］，其中以雅魯藏布江縫合帶和嘉黎斷裂帶附近的HGM 較高值條帶最為顯著，其西側(cè)多次發(fā)生7級以上地震，如1950年察隅Ms8.6地震。

圖3（c）為5階小波逼近的HGM圖像，反映了地殼厚度和巖石圈地幔頂部差異性變化特征（或僅為地殼厚度變化）。圖像顯示，較大的HGM 存在于南緣的喜馬拉雅造山帶地區(qū)、北緣的塔里木盆地南側(cè)和鄂爾多斯西南緣、東緣的龍門山斷裂帶附近以及喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)（EHS），較為清晰地刻畫了青藏高原邊界，高原周緣強(qiáng)震基本分布于HGM 高值帶上。

2.2.2 HVDM 特 征

圖4（a）、4（b）分別為2、3階HVDM 之和及4、5階HVDM 之和，兩幅圖像展示的形態(tài)基本一致，均在青藏高原南緣的喜馬拉雅造山帶、北緣的阿爾金斷裂帶、東緣的龍門山斷裂帶和喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)（EHS）地殼呈現(xiàn)較高值，走向與青藏高原周緣斷裂帶（構(gòu)造帶）基本一致。青藏高原內(nèi)部HVDM 值則較低，較好地反映了青藏高原周緣主要構(gòu)造帶的走向特征。喜馬拉雅造山帶地區(qū)呈現(xiàn)南向弧形，極大值基本分布在尼泊爾和不丹地區(qū)；喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)地區(qū)表現(xiàn)為東向的弧形分布；青藏高原北部邊界由西側(cè)的SEE 向在阿爾金斷裂帶轉(zhuǎn)變?yōu)镹EE 向，而在東北緣則轉(zhuǎn)變?yōu)镹E向；與HGM圖像不同的是，HVDM圖像對柴達(dá)木盆地南緣給予了清晰的勾勒。青藏高原周緣7級以上強(qiáng)震大多分布在HVDM 較大值條帶邊緣。

圖3 青藏高原及周緣布格重力異常不同尺度HGM圖像Fig.3 HGM maps of Bouguer gravity anomalies at different scale in Tibetan plateau

3 結(jié) 語

2015年尼泊爾Ms8.1地震震中分布在喜馬拉雅造山帶地區(qū)地殼深部HGM 高－低－高轉(zhuǎn)換的低值區(qū)域（圖3（b）），可能是喜馬拉雅地區(qū)吸收的近1／3印度板塊北東向俯沖效應(yīng)［17］在該地區(qū)匯聚，形成大量應(yīng)力累積的結(jié)果。從地表上看，震中位于主中沖斷層（MCT）附近，但約15km 的震源深度和震源機(jī)制解顯示的低角度俯沖表明，此次地震很有可能是沿新生代以來最活躍的主前鋒沖斷層（MFT）滑脫引起的。震中位于地殼深部HGM（圖3（b））呈現(xiàn)高－低－高分布的低值區(qū)和HVDM 高值帶的邊界（圖4），出現(xiàn)該現(xiàn)象的喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)和阿爾金斷裂帶附近均發(fā)生過強(qiáng)震，如1950年察 隅Ms8.6地震 和2014年于田Ms7.3地震。與以走滑為主的阿爾金斷裂帶和喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)構(gòu)造帶不同，作為典型的俯沖構(gòu)造，喜馬拉雅地區(qū)因印度板塊緩慢而低角度擠入青藏高原深部［16］，使得活躍的主前鋒沖斷層（MFT）北向低角度延伸，在地殼內(nèi)形成主喜馬拉雅沖斷帶（MHT）［3，15］，大地震多發(fā)生在MHT 的脆性和韌性轉(zhuǎn)換帶上［3］。從5 階小波逼近的HGM圖像（圖3（c））可看出，從主邊沖斷層（MBT）至雅魯藏布江縫合帶地區(qū)深部可能存在印度板塊的下地殼及上地幔頂部，與重震聯(lián)合反演所得到的結(jié)論［21］吻合，說明印度板塊與歐亞板塊的持續(xù)匯聚貫穿整個地殼的過程。印度板塊北向推擠過程中，阿爾金斷裂帶起到了青藏高原變形和物質(zhì)向東擠出的調(diào)節(jié)作用［22］，使印度板塊與歐亞板塊能夠持續(xù)匯聚，進(jìn)而使青藏高原內(nèi)部物質(zhì)不斷東向運(yùn)移，受到堅(jiān)硬的四川盆地阻擋和緬甸亞板塊東向俯沖于中國大陸川滇地區(qū)［16，23］兩種效應(yīng)綜合作用，致使川滇菱形塊體和被擠出的印支塊體在喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)（EHS）地區(qū)具有順時針旋轉(zhuǎn)的特征，從而形成了HGM 由西向東排列的弧形分布（圖3（b））和HVDM 的東向弧形分布（圖4），印支塊體南向擠出［13］，為青藏高原內(nèi)部物質(zhì)持續(xù)東向運(yùn)移提供了通道。

綜上所述，2015年尼泊爾Ms8.1 地震是兩大板塊碰撞匯聚而被喜馬拉雅造山帶吸收部分能量，青藏高原周緣斷裂帶調(diào)節(jié)并促使這種匯聚得以持續(xù)等綜合作用的結(jié)果。

圖4 青藏高原及周緣布格重力異常不同尺度HVDM圖像Fig.4 HVDM maps of Bouguer gravity anomalies at different scale in Tibetan plateau

［1］Bilham R.Location and Magnitude of the 1833 Nepal Earthquake and Its Relation to the Rupture Zones of Contiguous Great Himalayan Earthquakes［J］.Current Science，1995，69（2）：101－128

［2］Shah A A.Two Great Historical Earthquake Ruptures Revealed in Nepal［J］.Current Science，2013，104（8）：994

［3］Mugnier J L，Gajurel A，Huyghe P，et al.Structural Interpretation of the Great Earthquakes of the Last Millennium in the Central Himalaya［J］.Earth－Science Reviews，2013，127（2）：30－47

［4］李培，秦四清，薛磊，等.2015年4月25日尼泊爾Mw7.8地震孕育過程分析與震后趨勢研判［J］.地球物理學(xué)報，2015，58（5）：1 827－1 833（Li Pei，Qin Siqing，Xue Lei，et al.On the Seismogenic Process of the 25 April 2015 Mw7.8Earthquake and Future Earthquake Situation［J］.Chinese Journal of Geophysics，2015，58（5）：1 827－1 833）

［5］付廣裕，高尚華，張國慶，等.2015年尼泊爾Ms8.1地震的地殼重力均衡背景與地表形變響應(yīng)特征［J］.地球物理學(xué)報，58（6）：1 900－1 908（Fu Guangyu，Gao Shanghua，Zhang Guoqing，et al.Gravitational Isostasy Background and Surface Deformation Response Characteristics of the 2015Nepal Ms8.1Earthquake［J］.Chinese Journal of Geophysics，2015，58（6）：1 900－1 908）

［6］張貝，程慧紅，石耀霖.2015年4月25日尼泊爾Ms 8.1大地震的同震效應(yīng)［J］.地球物理學(xué)報，2015，58（5）：1 794－1 803（Zhang Bei，Cheng Huihong，Shi Yaolin.Calculation of the Co－Seismic Effect of Ms8.1Earthquake，April 25，2015，Nepal［J］.Chinese Journal of Geophysics，2015，58（5）：1 794－1 803）

［7］盛書中，萬永革，蔣長勝，等.2015年尼泊爾Ms8.1強(qiáng)震對中國大陸靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)影響的初探［J］.地球物理學(xué)報，2015，58（5）：1 834－1 842（Sheng Shuzhong，Wan Yongge，Jiang Changsheng，et al.Preliminary Study on the Static Stress Triggering Effect on China Mainland with the 2015 Nepal Ms8.1Earthquake［J］.Chinese Journal of Geophysics，2015，58（5）：1 834－1 842）

［8］Oru?B，Sert?elik˙I，Kafadar?，et al.Structural Interpretation of the Erzurum Basin，Eastern Turkey，Using Curvature Gravity Gradient Tensor and Gravity Inversion of Basement Relief［J］.Journal of Applied Geophysics，2013，88（1）：105－113

［9］Oru?B.Structural Interpretation of Southern Part of Western Anatolian Using Analytic Signal of the Second Order Gravity Gradients and Discrete Wavelet Transform Analysis［J］.Journal of Applied Geophysics，2014，103（4）：82－98

［10］Pavlis N K，Holmes S A，Kenyon S C，et al.An Earth Gravitational Model to Degree 2160：EGM2008［C］.EGU General Assembly，Vienna，2008

［11］Molnar P，Tapponnier P.Cenozoic Tectonics of Asia：Effects of a Continental Collision［J］.Science，1975，189（4 201）：419－426

［12］Tapponnier P，Peltzer G，Dain A Y L，et al.Propagating Extrusion Tectonics in Asia：New Insights from Simple Experiments with Plasticine［J］.Geology，1982，10（12）：611－616

［13］嵇少丞，王茜，孫圣思，等.亞洲大陸逃逸構(gòu)造與現(xiàn)今中國地震活動［J］.地質(zhì)通報，2008，82（12）：1 644－1 667（Ji Shaocheng，Wang Qian，Sun Shengsi，et al.Continental Extrusion and Seismicity in China［J］.Acta Geologica Sinica，2008，82（12）：1 644－1 667）

［14］Burchfiel B C，Royden L H.North－South Extension within the Convergent Himalayan Region［J］.Geology，1985，13（10）：679－682

［15］許志琴，王勤，曾令森，等.高喜馬拉雅的三維擠出模式［J］.中國地質(zhì)，2013，40（3）：671－680（Xu Zhiqin，Wang Qin，Zeng Lingsen，et al.Three－Dimensional Extrusion Model of the Great Himalaya Slice［J］.Geology in China，2013，40（3）：671－680）

［16］Huang J L，Zhao D P.High－Resolution Mantle Tomography of China and Surrounding Regions［J］.Journal of Geophysical Research，2006，111（B9）：4 813－4 825

［17］Jade S.Estimates of Plate Velocity and Crustal Deformation in the Indian Subcontinent Using GPS Geodesy［J］.Current Science，2004，86（10）：1 443－1 448

［18］Mallat S.A Theory for Multiresolution Signal Decomposition：The Wavelet Representation［J］.IEEE Pattern Anal and Machine Intell，1989，11（7）：674－693

［19］楊文采，施志群，侯遵澤，等.離散小波變換與重力異常多重分解［J］.地球物理學(xué)報，2001，44（4）：534－545（Yang Wencai，Shi Zhiqun，Hou Zunze，et al.Discrete Wavelet Transform for Multiple Decomposition of Gravity Anomalies［J］.Chinese Journal of Geophysics，2001，44（4）：534－545）

［20］李進(jìn).基于GRACE 時變重力梯度探測大地震的同震變化［D］.武漢：武漢大學(xué)，2011（Li Jin.Detection of Coseismic Changes Associated with Large Earthquakes by Gravity Gradient Changes from GRACE［D］.Wuhan：Wuhan University，2011）

［21］Basuyau C，Diament M，Tiberi C，et al.Joint Inversion of Teleseismic and GOCE Gravity Data：Application to the Himalayas［J］.Geophysical Journal International，2013，193（1）：149－160

［22］李海兵，楊經(jīng)綏，許志琴，等.阿爾金斷裂帶對青藏高原北部生長、隆升的制約［J］.地學(xué)前緣，2006，13（4）：59－79（Li Haibing，Yang Jingsui，Xu Zhiqin，et al.The Constraint of the Altyn Tagh Fault System to the Growth and Rise of the Northern Tibetan Plateau［J］.Earth Science Frontiers，2006，13（4）：59－79）

［23］Li C，Hilst R D V D，Meltzer A S，et al.Subduction of the Indian Lithosphere beneath the Tibetan Plateau and Burma［J］.Earth and Planetary Science Letters，2008，274：157－168